基于水利通信規約的農業用水計量系統設計

周扣明，周志恒，賈 培

（1.南通遠控自動化技術有限公司，江蘇 南通226002；2.河海大學物聯網工程學院，江蘇 常州213022；3.海安市水利局，江蘇 海安226600）

1 引言

我國傳統農業提水泵站的用水計量采用按時計量的方式完成，操作結果和實際用水量有較大的差異。在江蘇地區，中小型灌區較多，其中提水泵站數量眾多且分布較為分散，若各個泵站全部采用人工管理，不僅效率低下，還存在人工成本高、容易出錯的問題，更加難以實時地顯示各個提水泵站的相關信息，歷史數據的查詢也有諸多不便，對泵站的統一管理構成巨大阻礙。

無線通信技術已經廣泛應用于工業、養殖業等領域，極大節省了人工成本[1]。基于4G技術的農業用水監測系統，可以實現數據采集的遠距離傳輸，使計量終端與服務器之間建立起可靠的通信，從而保證數據的穩定傳輸[2-3]。在此設計一套農業用水監測系統，實現各站點用水信息的可視化和數據管理的智能化。

2 水文監測數據通信規約

水文監測數據通信規約是由水文局制訂的規范。其中，針對江河湖海等水文環境，對各種監測監控系統中的通信接口及通信協議作了詳細規定，包括監測終端與數據采集節點傳感器的接口和通信協議（數據采集通信規約）、監測站與數據中心站之間的數據通信協議（報文傳輸規約）等。該規約并不詳盡，而僅是規定出一個框架，具體的內容會在框架基礎上進一步填充。

本設計系統的電流、電壓傳感器采用RS-485通用通信接口。通信協議采用Modbus-RTU協議，該協議的數據幀基本格式分成四個部分，分別為頭部地址（1字節）、中間功能代碼（1字節）、數據體（不定長）、尾部校驗碼（2字節）。

在此報文幀結構框架基礎上，采用HEX/BCD報文編碼結構，選擇適宜的報文正文、要素編碼組合，并確定合適點的單幀報文長度。其中主機接收端亦采用相同的功能碼、編碼要素及標識符。所設計出的具體數據幀結構由表1給出。

表1 數據幀結構設計

3 系統結構設計

所設計的基于水利通信規約的農業用水監測系統由終端監測設備、數據通信鏈路和上位機三部分構成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

系統硬件部分主要由數據采集模塊、數據處理模塊、顯示模塊和通信模塊組成。數據采集模塊主要包括電流、電壓互感器，用于采集提水泵站中水泵狀態及耗水量；數據處理模塊主要采用STM32芯片，用于對采集數據進行處理，通過電水轉換計算耗水量；顯示模塊包括LCD和LED，以LED顯示水泵工作狀態等信息，以LCD屏幕顯示耗水量等信息；通信模塊主要用4G模塊實現，具有技術成熟、工作穩定、使用方便等優點。系統硬件設計的總體框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

計量終端的程序運行流程按圖3所示設計。

圖3 計量終端程序運行流程圖

由MCU對各個模塊的初始化函數進行調用，判斷芯片內是否存儲數據，若存在數據則讀取相關數據，并進行替換，若無數據則判斷是否觸發了485接收中斷。當請求接收中斷時，終端通過RS485接收服務器端發送的數據，并進行解析和儲存，否則通過數據采集模塊獲取水泵數據[4-5]。若電流超過閾值，則對相應的計時器進行使能操作。電能計量芯片結合傳感器采集的電壓、電流大小進行電量計算；MCU則根據耗電量-水量轉換法模型進行耗電量-供水量數值的轉換[6]。最終，當計數器的數值達到了上傳時間間隔，由MCU進行數據上傳，否則繼續執行之前各步操作。

各終端設備通電運行后，對采集到的數據進行處理，將耗電量轉化為用水量，并以設計好的數據幀及時將結果發送給4G模塊。4G模塊將這些數據以安全的TCP協議發送給服務器。服務器接收符合數據幀格式并通過CRC校驗的數據，進行解析，最終將解析的各項信息儲存到數據庫中，以便查詢和管理。數據的發送和接收流程圖如圖4所示。

圖4 數據發送與接收流程圖

4 系統實際搭建與測試

本監測系統在PC端采用B/S架構。與C/S架構相比，B/S架構系統可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，用一臺聯網的電腦就可使用，不用安裝客戶端，免于耗費精力維護，同時注重擴展功能，節約開發成本[7]。軟件使用Java語言開發于IDEA，并采用Mysql數據庫，最終搭建起如圖5所示的架構[8-9]。

圖5 監測系統架構示意圖

用戶在客戶端（瀏覽器頁面）提交表單操作，向服務器發送請求，等待服務器響應。服務器端接收并處理請求，對請求進行數據處理，產生響應[10]。由服務器端把用戶請求的數據（累計時間、流量、水量、瞬時電量等信息）返回給客戶端，在瀏覽器上解析執行HTML文件，呈現出用戶界面[11-12]。系統最終可實現的在線監測功能及其能顯示的數據項如圖6所示。

圖6 系統功能及顯示數據項

所設計系統經實際搭建，在江蘇某市某泵站進行試用，對供水進行功能測試。圖7為監測設備現場安裝實物圖。裝置安裝在動力柜附近，方便對水泵電機的電壓電流進行采集。供電來源于配電柜，可通過裝置附近的空氣開關進行裝置的開關控制。圖8為系統運行界面，展示了各提水泵站水泵的工作狀態，包括實時耗電量和實時耗水量、累計耗電量、累計工作時間等。經實際測試，該套系統高效地實現了對提水泵站實時運行情況的全面監控。

圖7 監測系統現場安裝實物圖

圖8 監測系統運行界面

5 結束語

以江蘇某市農業用水計量存在的問題為研究背景，設計并實現一套基于水利通信規約的農業用水監測系統，借助于傳感器、微機處理及4G遠程無線通信技術，實現泵站供水量的實時監測。系統在常規聯網的PC機上通過瀏覽器即可實現功能，在正式工作中所收集到的海量數據，可為農業大數據研究提供支持，提高農田水利智能化，在現代化農業中具有良好的實際意義和應用前景。